利用微粒光散射特性反演海洋中浮游微生物尺度的方法研究

海海洋生物链的重要组成部分之一- - 浮游微生物，其生长速度对水质、生态平衡都有重要意义。2微米以下的浮游微生物在海洋生态中起到重要作用，实时监测浮游微生物粒度变化，是海洋环境保护中（如防止赤潮）的重要课题。然而，现有的粒度分析方法存在样品制备工艺复杂、测量速度慢、可测粒径范围有限等等问题。因此，本项目提出了"研究非球形颗粒内部散射势对外部散射场的影响机理，应用衍射析术，通过测量微粒单波长散射光分布反演水中浮游微生物形状及尺度特性"的创新性研究方案。开展"类浮游微生物"微粒散射特性、逆向散射等基础研究，从中提炼出多层介质、非球形颗粒散射势与散射场的研究、亚微米级水中颗粒的三维体散射函数计算及测量、粒径反演等关键技术问题，形成基础性研究、高技术研发与实用化应用的有机结合，拓展粒径测量下限，为研制应用海洋环境中的在线粒度分析粒度测量仪器提供新的方法，并有望扩展到气溶胶监测、乳液产品分析等众多行业。

海洋生物链的重要组成部分之一--浮游微生物，在海洋生态中起到重要作用，实时监测浮游微生物粒度变化，是海洋环境保护中（如防止赤潮）的重要课题。然而，现有的粒度分析方法存在样品制备工艺复杂、测量速度慢、可测粒径范围有限、将颗粒近似为球形等等问题。本项目以海洋中的浮游微生物为目标，对利用微粒在的单波长散射光分布反演非球形颗粒的尺度参数这一方法展开研究。. 本项目首先研究了海洋浮游微生物的光散射特性，建立了具有同心球核的旋转椭球体模型，基于偶极子近似理论，对具有代表性的浮游微生物光散射场进行了理论计算，获得了非球形颗粒在三维空间内的远场散射光分布。本项目还对对颗粒介质折射率小于环境介质的情况进行了拓展研究，以海洋中的气泡为对象，建立了基于几何光学（GOA）的椭球形颗粒体散射函数计算模型。. 本项目将层析成像术应用到粒径反演中，利用单波长平行光入射到颗粒上的散射场分布，反演颗粒直径。基于本项目建立的逆向散射模型，在Matlab中开发了粒径反演算法。该算法既适用于球形颗粒粒径反演算法，也适用于椭球形、圆柱形等典型浮游微生物模型的粒径反演。以仿真计算的颗粒散射场的计算结果作为散射场，进行了粒径反演数值实验。通过大量数值实验证明，本项目所开发的粒径反演算法可以在适度噪声存在的情况下，准确反演与入射光波长在同一数量级的弱散射球形颗粒直径，或反演弱散射非球形颗粒形状与尺度信息。这一粒径反演仅需要测量单波长散射光，无须大量样本数据采集，或参数修正等复杂数据，不需要确切知道颗粒性质（折射率），具有良好的适应性和稳定性。. 基于水中固体颗粒体散射函数理论研究结果，突破现有的对稳定样品一维体散射函数测量设计思路，本项目提出一种基于CCD成像的水中微粒三维体散射函数快速测量装置，对亚微米级非球形微粒体散射函数进行测量。从CCD 器件噪声和实验系统误差两方面进行了误差分析，对实验结果进行初步处理。获得实验结果与理论计算结果吻合。. 本项目所提出的粒径分析方法，具有非侵入式和非破坏式测量、测量速度快、重现性好等突出优点，为研制在海洋环境中，快速、在线粒度分析仪器提供新的方法，有望制作出测量下限达到亚微米量级的智能化实时粒径分析仪器，这种粒度测量方法可以扩展到气溶胶监测、乳液产品分析等众多行业，从而带来更大的应用前景。